糧食生產系統對氣候變化的響應：敏感性與脆弱性

謝立勇等

摘要：氣候變暖延長了作物適宜生長季，縮短了實際生育期，改變了作物的種植界線；在一些區域促進了產量增高，給作物品質帶來負面影響，并改變了氣象災害與病蟲害的規律，導致損失增加。未來糧食生產系統對氣候變化表現出較強的敏感性，如溫度增高1℃，冬小麥生育期日數平均縮短17d左右，水稻和玉米平均縮短7-8 d，但地區之間存在差異。氣候變化將威脅作物產量的穩定性，并影響作物品質。脆弱性主要是面對極端事件的影響，特別是在減小暴露度和提高適應能力兩個方面，因為雨養農業的暴露度明顯高于灌溉農業。為此，本文提出了相應的對策建議，以降低糧食生產系統對氣候變化的脆弱性。一是加強對敏感性的評估能力建設，包括完善和改進各類評估指標體系和模型，創新和發展評估方法和工具；結合實地觀測和案例研究，科學評估氣候變化的影響與敏感性，識別和降低研究中的不確定性；提高人類對氣候系統及其變化的認識，提高氣候變化影響及相應領域敏感性的認識。二是加強糧食生產系統適應能力建設，包括對已有的農田基礎設施進行改造，增強對氣象災害的防御能力；通過調整農業生產結構，有計劃地選用抗旱澇、抗高低溫和抗病蟲害等抗逆品種和新品種；發展節水農業，加強推廣旱作農業技術；綜合多學科的理論方法，進一步開展糧食生產系統與氣候變化有關的影響和適應研究。三是加強自然和社會系統體系和功能建設，包括加強高新技術和適用技術的推廣，加快科技創新和技術引進步伐；通過立法、行政、財政稅收等方式，積極推進農業保險，探索農業政策保險與商業保險相結合的風險分擔機制；通過調整經濟結構、提高能源效率，增加糧食生產系統固碳減排能力，維護良好的生態環境。

關鍵詞：氣候變化；糧食生產；影響與適應；敏感性；脆弱性；暴露度；恢復力

中圖分類號 X196；F062.2 文獻標識碼 A 文章編號 1002-2104（2014）05-0025-06

一般認為，敏感性是指氣候變化對系統的正負兩方面影響程度，影響可以是直接的，也可以是間接的；脆弱性是指系統易于遭受氣候變化（包括與氣候變率和長期氣候變化有關的極端事件）不利影響的程度及其恢復能力，它隨著系統所受到的氣候變化的特征、幅度、快慢以及系統的敏感性和適應能力而改變，是系統對氣候變化的敏感性和適應能力的綜合體現[1]。糧食生產系統對氣候變化的敏感性即糧食種植制度和布局、產量和品質等對氣候情景的響應程度。在相同的氣候情境下，響應的程度越大則敏感性越高。糧食生產系統對氣候變化的脆弱性是指糧食生產容易受到氣候變化的不利影響，且無法應付不利影響的程度水平，關注的是可能受到威脅和侵害的結果而非原因。由于中國幅員遼闊，氣候差異顯著，糧食生產系統對氣候變化敏感性區域特征復雜而明顯[2]。

需要特別注意的是，農業種植和養殖在長期栽培和馴化過程中對氣候變化的適應能力遠遠低于野生動植物，農作物和家畜家禽對氣候要素變化更為敏感[3]。IPCC 第五次評估報告不僅進一步明確了人類活動對氣候變化的影響，也更清晰地表述了氣候變化對經濟社會發展的影響[1]。種植業是氣候變化最敏感的領域之一，氣候變化引起了作物生育期、耕作制度等的改變，災害發生頻率和強度更加嚴重，給全球糧食生產系統和糧食安全帶來風險和壓力。保證農業可持續發展和糧食安全是應對氣候變化的重要目標之一。

1 糧食生產系統對氣候變化的響應

大量觀測資料及研究成果表明，氣候變化已經對作物生長發育、種植制度和產量品質都產生了不同程度的影響，利弊并存，但負面影響更多[4-6]。區域變暖延長了作物適宜生長季，溫度升高加快了作物發育速度， 縮短了實際生育期，大部分作物表現為全生育期縮短[6-7]。30%的農業氣象站點觀測到整個生育期（播種到成熟）和營養生長階段（播種到抽穗）呈縮短趨勢，水稻的移栽、抽穗和成熟期總體提前，隨著溫度升高，許多作物的種植界線向高緯度和高海拔移動[8-10]

作物產量已經對氣候變化顯示出較強的響應。1980年代以來的氣候變暖對東北地區糧食總產增加有明顯的促進作用，但是對華北、西北和西南地區的糧食總產增加有一定抑制作用 [11-12]。由于生長季內積溫增加，促進了作物產量提高[12]。1951-2002年間全國糧食總產量每10年大約增長3.2×105 t，其中小麥、玉米表現出對氣候變化的響應更顯著[13-14]。但是雨養農業比灌溉農業更易于遭受極端事件的影響，并且水分供應難于與熱量資源匹配，限制了增產潛力的實現[7]。氣候變化通過生物脅迫和非生物脅迫，給作物品質帶來一定的負面影響，包括改變碳含量和養分攝入量。CO2濃度增高，谷物蛋白質含量呈下降趨勢，其中小麥、水稻等降低10%-14%，大豆降低1-5%。與氮含量相同，礦物質含量也有相應程度的降低。極端氣溫和CO2的協同增加了水稻堊白度，降低水稻加工品質[14-15]。

氣象災害與病蟲害也呈現出新的變化。全國每年由于氣象災害造成的農業直接經濟損失達1 000 多億元，約占國民生產總值的 3%-6%[16]。影響中國農業經濟的最為嚴重的是干旱，其次是澇漬。2000-2007年間，每年干旱和洪澇的共同作用會使收獲產量損失相當于5萬hm2的播種面積。氣候變暖對越冬病蟲害有利，病蟲害侵擾的耕種面積大約由1970年的100萬hm2增加到2005年的345萬hm2，每年因病蟲害造成的糧食減產幅度約占同期糧食產量的9%[5，15]。

2 糧食生產系統對氣候變化的敏感性分析

2.1 作物布局與生長季

氣候變暖將延長作物的適宜生長季，縮短作物的實際生育期。如果氣溫增高l℃，水稻生育期日數平均縮短7-8 d，冬小麥平均縮短17 d左右，玉米平均縮短7 d左右，但地區之間存在差異。如果氣溫增高2℃，水稻生育期日數平均縮短 14-15 d，小麥平均縮短 34 d[16-17]。隨氣溫升高，主要作物品種布局也將發生變化。比較耐高溫的水稻品種將在南方占主導地位，還將逐漸向北方稻區發展；華北強冬性冬小麥品種，將被半冬性或弱春性的冬小麥品種取代；東北地區玉米的早熟品種逐漸被中、晚熟品種取代[3]。氣候變化將使西北地區復種指數繼續增加，復種作物適宜區海拔高度將升高 200 m 左右，復種面積將擴大 4-5 倍[18]。到2050年作物三熟制的北界北移500 km，從長江流域移至黃河流域，目前大部分兩熟制地區將被三熟制地區所取代，而兩熟制地區將北移至目前一熟制地區的中部[9，19]。在僅考慮熱量條件的基礎上，假設品種和生產水平不變，2050年一熟制區的面積將由現在的 62.3%縮小到 39.2%，三熟制區的面積將由目前的 13.5%擴大到 35.9%，二熟制區的面積基本保持不變 [19]。

2.2 作物產量與品質

作物產量和品質是反映糧食生產系統質量的核心指標。雖然氣候對作物產量的影響存在不確定性，但可以肯定的是，氣候變化影響作物產量穩定的風險在增加，并且隨著時間的推移，這種威脅將繼續擴大[15]。產量對氣候變化的敏感性分析依據方式、情景和作物等的不同而不同。王馥棠在三種平衡GCM模式（GFDL， MPI和UKMO-H）產生的2050年氣候變化情景的基礎上，利用改進的三種作物模型（ORIZA1水稻模型，CERES-wheat和CERES-maize模型） 模擬出了作物產量的變化范圍[19]（見表1）。除春玉米存在輕微增產的可能，其他作物均呈現不同幅度的減產，雨養春小麥下降幅度最大，對氣候變化的敏感性最強。

溫度升高及晝夜溫差縮小不利于作物品質形成，大氣中CO2 濃度增高也對品質造成負面影響。二者的交互作用對不同作物品質的影響盡管不同，但負面影響居多，并直接影響營養品質。比如大氣中CO2濃度增加，冬小麥、水稻和玉米品質均有所下降[22-23]。CO2濃度倍增環境下，冬小麥籽粒粗淀粉含量增加2.2%，而蛋白質和賴氨酸含量卻分別下降12.8%和4%；玉米籽粒氨基酸、直鏈淀粉、粗蛋白、粗纖維和總糖含量均呈下降趨勢；大豆籽粒粗蛋白含量下降0.83%。在溫度和CO2濃度均增加的環境中水稻籽粒蛋白含量降低，高CO2濃度使稻米的堊白率、堊白度極顯著提高，整精米率極顯著下降，蛋白質和氨基酸含量明顯下降[24-25]。

2.3 極端天氣事件和病蟲草害

未來北方大部分地區將持續暖干化，短期內干旱強化的趨勢不會根本緩解。亞熱帶地區將面臨高溫、熱害和伏旱的不利影響。同時極端天氣事件出現的頻率將有所增加。CO2的影響不僅與C3、C4類型有關，還與作物品種有關。同樣在CO2 濃度增高200 ppm試驗中，不同品種水稻產量增加幅度在3%-36% 之間[25]。FACE研究還表明，CO2的影響還因溫度、水分和養分供應情況的不同而不同。大氣中CO2與O3、溫度、土壤水分、光照等環境因子的協同影響也非常重要，作物的病蟲害地理范圍將向高緯度地區延伸，病蟲害發生頻度和危害程度將更為頻繁和嚴重[26-27]，溫度升高還將造成雜草蔓延[15]。在氣候變化的大背景下，氣象災害和病蟲害現象的加劇，增加了糧食生產系統對氣候變化的脆弱性，導致了糧食生產系統的不穩定性增加，同時需要增加殺蟲劑的使用，提高了糧食生產的經濟成本和環境成本[15]。

3 糧食生產系統對氣候變化的脆弱性和風險分析

脆弱性指系統易于遭受氣候變化不利影響的程度及其恢復能力，是敏感性和適應能力的綜合體現。討論脆弱性至少需要關注四個方面，即敏感性、暴露度、恢復力和適應。敏感性多是系統本身特性所決定的，與恢復力含義相近，但恢復力強調影響后的反應；暴露度既涉及系統本身也與外界因素相關；適應能力則更強調外界干預。

由于中國氣候類型多樣，農業具有較強的區域性特征，與自然生態、地理環境密切相關，對氣候變化的反應不同，但均表現出較強的敏感性[28-29]。農業生產系統具有相當高的復雜性，對環境要求表現在綜合性和系統性上。比如東北地區并不是單單因為熱量資源的改善，就可以帶來作物產量的明顯增加。其中水分供應以及水熱匹配至關重要，只用綜合條件滿足需求，才可以實現最大產量潛力[7]。一般而言雨養農業的暴露度明顯高于灌溉農業，中國目前灌溉農業約占三分之一，大部處于雨養階段，這也是受干旱、洪澇等極端事件影響損失嚴重的主要原因[30-31]。總體上糧食生產系統對溫度、降水等指標的均態變化響應幅度較小，適應能力較強；但是對極端事件的響應和適應程度不一樣，事實上也非常復雜[32]。未來糧食生產系統的脆弱性主要是面對極端事件的影響，特別是在減小暴露度和提高適應能力兩個方面。減小暴露度的壓力也越來越大，不僅源于保證耕地面積數量的需要，還由于提高耕地質量的需要。所以適應能力建設需要不斷完善，不斷加強，對氣候變化而言，糧食生產系統的適應能力建設沒有完成時，只有進行時。

受到氣候變化特別是極端事件沖擊之后，系統本身的承受力、抵抗力以及應急措施是恢復力的直接表現。目前大多作物生產的恢復力不強，既與作物生產系統內部要素有關，也與人為調控能力有關。作物生產上可以從作物品種本身和環境條件兩方面著手加以改進，把作物抗逆性選擇、田間管理措施改進包括到應急對策中，也是提高適應能力的措施和手段。

4 降低糧食生產系統對氣候變化脆弱性的建議

4.1 加強對敏感性的評估能力建設

科學準確地評價糧食生產系統對氣候變化的敏感性是有效應對氣候變化的前提條件，對于制定合理有效的應對策略具有重要意義。IPCC第四次評估報告發布以來，敏感性和脆弱性問題越來越引起廣泛關注，嘗試利用指標、模擬等不同方法和手段開展研究，或者利用農業統計產量定量反應 [29-32]。然而，目前還沒有統一的研究方法和指標對敏感性和脆弱性進行評估。一方面由于糧食生產系統的復雜性，另一方面氣候變化又是漸進的，而其引發和強化了的極端事件又缺乏內在的規律性，氣候情景以及社會經濟情景存在不確定性，加之研究方法和手段還不夠完善，案例研究和評價模式都不夠充分。因此，要完善和改進各類評估指標體系和模型，創新和發展評估方法和工具，結合實地觀測和案例研究，科學評估氣候變化的影響與敏感性，識別和降低研究中的不確定性。開展作物品種抗逆性、生長發育、光合效率、產品形成與品質特性，作物種植制度和布局，農業災害、病蟲害等科學問題研究，提高人類對氣候系統及其變化的認識，提高氣候變化影響及相應領域敏感性的認識。

4.2 加強糧食生產系統適應能力

對于糧食生產系統而言，加強適應能力建設是緊迫的、急需的要求，是減小脆弱性的有效措施。適應能力的增強，客觀上減小了農業系統的暴露度，增加其恢復力。適應可以在多個層面上進行[33]：一是對已有的農田基礎設施進行改造，增強對氣象災害的防御能力；加強對天氣氣候及農業災害的監測、預測和響應能力建設，做好防范措施， 最大限度降低自然災害和氣象災害的脆弱性[34]。二是通過調整農業生產結構，有計劃地選用抗旱澇、抗高低溫和抗病蟲害等抗逆品種和新品種。充分利用氣候變化帶來的熱量資源增加、復種指數增加等優勢，避免干旱、高溫熱害等氣候變化帶來的不利因素，進而改進作物布局，科學合理確定種植制度。對于原有種植作物，也要針對氣候變暖現象，適當調整播種期。三是發展節水農業，加強推廣旱作農業技術。改造老化農業灌排工程設施，采用新的排灌措施，灌溉系統和方式，推行畦灌、噴灌、滴灌和管道灌等灌溉技術，高效利用灌溉水。四是綜合多學科的理論方法，加強糧食生產系統和其它系統及領域的交互影響的辨析與識別，開展農業及相關科學問題的試驗研究，進一步開展糧食生產系統與氣候變化有關的影響和適應研究，包括各生產要素以及加工、分配、零售和消費模式等非生產但同樣重要要素的氣候影響和適應[7]。

4.3 加強自然和社會系統體系和功能建設

糧食生產是第一產業，與社會經濟系統關系密切，更與自然生態系統緊密相連。自然生態環境的改善有利于糧食生產條件的改善，從而降低糧食生產系統對氣候變化的暴露度，增強恢復力，有利于糧食生產系統的可持續發展[35]。一是加強糧食生產高新技術和適用技術的推廣，加快科技創新和技術引進步伐，在單一技術發展的同時，建立和完善適應技術體系的集成創新機制[34]，使適應氣候變化不同主體的資源、技術、能力等得到優化配置，使各種單項和分散的相關技術成果得到集成，降低農業對氣候變化的脆弱性。二是通過立法、行政、財政稅收等方式，積極推進農業保險，探索農業政策保險與商業保險相結合的風險分擔機制，加大社會宣傳和領導，采取政策激勵措施等，創造良好的社會保障機制和反饋機制[33]。三是通過調整經濟結構、提高能源效率、開發利用水電和其他可再生能源、大力開展植樹造林等措施，減少糧食生產系統溫室氣體排放源，增加糧食生產系統固碳減排能力，提高其碳匯庫容潛力，維護良好的生態環境。在應對病蟲害和雜草害時，充分考慮生態、環境的保護和維護，使用高效低毒無污染的新型農藥，開展生物防治，發揮自然天敵對病蟲害的調控作用。

（編輯：李 琪）

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